第二章 直流电动机拖动系统

1、 第二章 直流电动机电力拖动DC Motor Drives2.1他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性2.1.1一般概念一般概念机械特性：指电源电压机械特性：指电源电压U、气隙磁通、气隙磁通、电枢回路电枢回路电阻电阻R均为常数时，均为常数时，电动机产生的电磁转矩电动机产生的电磁转矩T与电力与电力拖动系统的转速拖动系统的转速n之间的关系，即之间的关系，即n=f(T)。n方程方程：。TTCCRRnCUnCCRRnnTCUTCCRRCUnTeaeTeaeTeae20202转速降，理想空载转速斜率机械特性分析机械特性分析硬度硬度：斜率：斜率的倒数或定义机械特性曲线工作的倒数或定义机械特性曲线

2、工作范围内某一点转矩对该点转速的导数，即：范围内某一点转矩对该点转速的导数，即：越大（越大（ 越小），特性越硬，称为硬特性。即越小），特性越硬，称为硬特性。即T变化时，变化时，n 的变化不大。的变化不大。TnnT，dd2.1.2固有机械特性固有机械特性 他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压电压U=UN，气隙磁通，气隙磁通=N，电枢外串电阻，电枢外串电阻R=0时，时，n=(T)的机械特性，其数学表达式为：的机械特性，其数学表达式为： 式中式中称为斜率，称为斜率，n为负载时的转速降。为负载时的转速降。nnTnTCCRCUnNTeaNeN002固有机械

3、特性固有机械特性2.1.3人为机械特性人为机械特性人为机械特性：指改变电机参数，即改变人为机械特性：指改变电机参数，即改变U或变或变R或或变变得到机械特性。得到机械特性。1.电枢回路串接电阻时的人为机械特性电枢回路串接电阻时的人为机械特性条件：当条件：当U=UN， = N，电枢回路外串电阻，电枢回路外串电阻R时时TCCRRCUnNTeaNeN21.串电阻接线和特性串电阻接线和特性UfNIfNRfM-RaRs1Rs2R1=Ra+Rs1KM1KM2R2=Ra+Rs1+Rs2UN+-(a)接线图(b)机械特性电枢回路串电阻起动nn00T(I)TLT2(I2)T1(I2)RaR1AabcdeR22.改

4、变电动机供电电源的人为特性改变电动机供电电源的人为特性条件：当条件：当UUU1 1UU2 2UU3 3UfNIfNRf调压电源调压电源EanT电源电压可调的他励直流电动机电源电压可调的他励直流电动机3.改变磁通时的人为特性改变磁通时的人为特性条件：当条件：当U=UN， 1 2弱磁他励直流电动机弱磁他励直流电动机2.1.3电枢反应对机械特性影响电枢反应对机械特性影响 在上述讨论固有特性和人为特性时，对变在上述讨论固有特性和人为特性时，对变 R 和变和变U，认为，认为 为常数。而他励直流电动机为常数。而他励直流电动机由于有电枢反应，产生去磁作用，使由于有电枢反应，产生去磁作用，使 ，则，则n0 ，

5、即，即n 特性上翘。特性上翘，对电动特性上翘。特性上翘，对电动机稳定运行不利，解决的办法是在主磁极上加机稳定运行不利，解决的办法是在主磁极上加装匝数很少的串励绕组，称为稳定绕组。稳定装匝数很少的串励绕组，称为稳定绕组。稳定绕组产生与主磁极相同的磁通，抵消电枢反应绕组产生与主磁极相同的磁通，抵消电枢反应的去磁作用。的去磁作用。加装稳定绕组加装稳定绕组 加装了稳定绕组后，电动机实质上已变加装了稳定绕组后，电动机实质上已变为积复励电动机，但由于串入励磁环绕组匝为积复励电动机，但由于串入励磁环绕组匝数很少，其机械特性又与没有电枢反应时的数很少，其机械特性又与没有电枢反应时的他励直流电动机相同，因此仍可

6、视为他励直他励直流电动机相同，因此仍可视为他励直流电动机。这样，在讨论问题时，就可完全流电动机。这样，在讨论问题时，就可完全忽略电枢反应的影响忽略电枢反应的影响,认为认为 为常数。为常数。上翘曲线上翘曲线nn00 0T上翘机械特性上翘机械特性3.1.4电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件稳定运行的概念：当稳定运行的概念：当 T=TL ， n=f(T)与与 n=f(TL)有交点有交点 称静态平衡，这是稳定运行的必要条件称静态平衡，这是稳定运行的必要条件T=TL是平衡稳定运行的一个必要条件。在电力是平衡稳定运行的一个必要条件。在电力拖动中，为使问拖动中，为使问题简化均忽略即题简化均

7、忽略即T00,T=T2=TL 。nT0TLnTTL静态平衡示意图静态平衡示意图n0AnA问题问题问：有了交点是否平衡了即为稳定运行问：有了交点是否平衡了即为稳定运行?答答:(1)要看系统出现干扰后在新的条件要看系统出现干扰后在新的条件下下能否平衡。能否平衡。(2)干扰消失后，能否回到原干扰消失后，能否回到原来的平衡点。如果能满足以上两条件，来的平衡点。如果能满足以上两条件，即为稳定运行。即为稳定运行。例例1.电网电压波动电网电压波动nTn=f(TL)0电力拖动系统稳定平衡状态n0AABC曲线1(UN)曲线1(U)TBTLTCn0UNU分析分析 系统原工作在平衡点系统原工作在平衡点A，这时电网电

8、压，这时电网电压向下波动，从向下波动，从 UN 降到降到U，在此瞬间由于机械，在此瞬间由于机械惯性，转速来不及变化，从惯性，转速来不及变化，从A点过渡到点过渡到B点。点。负载转矩负载转矩TL 没变，则没变，则 UNIaTTTL 从从B点过渡到点过渡到C点，点， TL 没变，没变， TTL系统加速。系统加速。 nEaIaT 系统沿系统沿CA特性加速到特性加速到A点，点， n=nN时时， T=TL ，达到原来平衡点，达到原来平衡点A。说明说明： 当当UUN ，负载不变时，他励直流电动机能达到，负载不变时，他励直流电动机能达到新的平衡新的平衡(A点点)，在干扰消失后，能回到原来的平衡点，在干扰消失后

9、，能回到原来的平衡点(A点点)，所以能稳定运行。，所以能稳定运行。讨论稳定运行示意图讨论稳定运行示意图nT0 0TLA nn=f(T)n=f(TL) TL T探讨稳定运行条件的示意图探讨稳定运行条件的示意图平衡稳定运行充要条件平衡稳定运行充要条件平衡稳定运行的充要条件为：平衡稳定运行的充要条件为：1.电动机机械特性与负载特性必须相交，在电动机机械特性与负载特性必须相交，在交点处交点处T=TL 处，实现了转矩平衡。处，实现了转矩平衡。2.在交点处有在交点处有0dndTdndTL3.2他励直流电动机的起动和反转他励直流电动机的起动和反转3.2.1他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动起动起动：指

10、电动机从静止状态转动起来。：指电动机从静止状态转动起来。 起动过程起动过程：电动机从静止运转到某一稳态转速：电动机从静止运转到某一稳态转速的过程叫起动过程。的过程叫起动过程。1.系统对起动的要求系统对起动的要求 不同的生产机械对起动有不同的要求。不同的生产机械对起动有不同的要求。例例如，无轨电车要求起动慢些平稳些，但一般生如，无轨电车要求起动慢些平稳些，但一般生产机械都要求快速起动。即要求起动时间产机械都要求快速起动。即要求起动时间 tst小小些，则起动转矩些，则起动转矩Tst大些。大些。起动电流起动电流 Ist为起动电流，也称为堵转电流为起动电流，也称为堵转电流 (在起动瞬间在起动瞬间n=0

11、)。从式。从式T=CTIa可知，当可知，当一定时，一定时，T与与 Ia成正成正比，比， Ist越大，越大， Tst 也越大。但起动电流不能太大。也越大。但起动电流不能太大。否则会引起换向恶化，产生严重的火花。还会导致否则会引起换向恶化，产生严重的火花。还会导致很大的线路压降，使电网电压不稳定。很大的线路压降，使电网电压不稳定。 Ist不能太大，一般为不能太大，一般为1.52 IN ，因为，因为 T大小是大小是受机械强度限制，受机械强度限制， T太大，突然加到传动机构上，太大，突然加到传动机构上，会损坏机械部件的薄弱部分，例如传动齿轮的轮齿会损坏机械部件的薄弱部分，例如传动齿轮的轮齿等。等。2.

12、降压起动降压起动 起动瞬间把加在电枢两端电源电压降低，可把起动瞬间把加在电枢两端电源电压降低，可把电源电压降低到电源电压降低到 U=(1.52.0) INRa，随着转速，随着转速n的上的上升，电势升，电势Ea也逐渐增大，也逐渐增大，Ia 相应减小，此时电压相应减小，此时电压U必须不断升高必须不断升高(手动调节或自动调节手动调节或自动调节)，而且使，而且使Ia保持保持在在 (1.52.0) IN范围内，直到电压升到额定电压范围内，直到电压升到额定电压UN ，电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。 降压起动需要一套可以调节的直流电源，初投降压起动需要一套可以调

13、节的直流电源，初投资大。资大。3.电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动 电压不变，在电枢回路中串接电阻，电压不变，在电枢回路中串接电阻，可达到限制起动电流的目的，使可达到限制起动电流的目的，使 NaNstIRRUI0 . 25 . 11）串入恒值电阻起动）串入恒值电阻起动 在电枢回路串入固定的在电枢回路串入固定的起动电阻起动电阻R，电机拖动恒转，电机拖动恒转矩负载，在额定磁场下，将矩负载，在额定磁场下，将刀开关刀开关K合向电源使电机起合向电源使电机起动。动。缺点：起动时间缺点：起动时间tst 较长，稳较长，稳态转速态转速ns低，长期串入电阻低，长期串入电阻不经济。不经济。UfNIfNRfEan

14、T电枢串入固定电阻起动的接线图电枢串入固定电阻起动的接线图R Ra串固定电阻起动特性串固定电阻起动特性nT0 0TLn0电枢串入固定电阻特性曲线电枢串入固定电阻特性曲线nAA2)分级起动分级起动(逐级切除起动电阻的起动逐级切除起动电阻的起动) 为了在起动过程中使电枢和转矩被限制为了在起动过程中使电枢和转矩被限制在允许的范围之内，采用分级起动。在允许的范围之内，采用分级起动。UfNIfNRfM-RaRs1Rs2R1=Ra+Rs1KM1KM2R2=Ra+Rs1+Rs2UN+-(a)接线图(b)机械特性电枢回路串电阻起动nn00T(I)TLT2(I2)T1(I2)RaR1AabcdeR2逐级切除起动

15、电阻的起动分析逐级切除起动电阻的起动分析起动瞬间，电枢回路总电阻为起动瞬间，电枢回路总电阻为设设为电动机的过载倍数，为电动机的过载倍数， = 1.52.0212ssaRRRRstNIRUIn31, 0N110 .25 .1 , 0 .25 .1TTIIN切换电流或切换转矩切换电流或切换转矩n求切换转矩的原则求切换转矩的原则：既要使电动机能够带动负载起动，又要保证在切换时的加速度转矩( T2和TL之差 )不过小。过大，加速转矩大，可满足快速起动的要求，但是起动级数增多，过小，延缓起动过程。n综合考虑综合考虑，选I2= （1.11.2 ）IL，则切换转矩 T2= （1.11.2 ）TL 。电阻分三

16、次切除称三级起动，起动级数m=3，一般选m=34，级数多，起动快，但同时也使设备增多，线路复杂。运行不可靠性增大。3）起动电阻的计算方法）起动电阻的计算方法解析法计算起动电阻解析法计算起动电阻 忽略电枢绕组的电感，电枢电流在切换忽略电枢绕组的电感，电枢电流在切换电阻瞬间突变，而在切换电阻瞬间，由于机电阻瞬间突变，而在切换电阻瞬间，由于机械惯性的作用，转速械惯性的作用，转速n不变，不变，Ea不变不变。计算公式计算公式如有m级，则通用公式为：式中Rm为最大起动电阻，各段电阻值：aammRRRmR ,1IURNm,12211RRRRRRsas讨论讨论 m为起动级数，一般取 m=34, m大，起动平滑

17、，但设备多。I1为起动电流；I2为切换电流，IL为负载电流。LNIIIITTII2 . 11 . 1,0 . 25 . 1, 212121由由m求求 时时 mRRam由由 求求m时时m取整数，然后代入式中，修正 ，之后再求各级起动电阻。lnlnamRRm mamRR3.2.2他励直流电动机反转他励直流电动机反转两种方法：两种方法：1.改变电枢绕组端接线；改变电枢绕组端接线；2.改变励磁绕组端接线。改变励磁绕组端接线。课后复习要点课后复习要点1.固有机械特性和人为特性固有机械特性和人为特性2.他励直流电动机的起动方法他励直流电动机的起动方法3.逐级切除起动电阻的解析算法逐级切除起动电阻的解析算法

18、思考题：思考题：P95 3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-8作业作业:P96 3-28、3-29、3-30本次课程内容和重点本次课程内容和重点内容内容：他励直流电动机调速方法、调速的性能：他励直流电动机调速方法、调速的性能指标、调速时允许输出的转矩和功率、调速方指标、调速时允许输出的转矩和功率、调速方式与负载类型配合问题，以及他励直流电动机式与负载类型配合问题，以及他励直流电动机制动的基本概念。制动的基本概念。重点重点：调速的性能指标、调速方式与负载类型：调速的性能指标、调速方式与负载类型配合。配合。3.3他励直流电动机调速他励直流电动机调速调速调速：是指通过人为手段改变电力

19、拖动系统：是指通过人为手段改变电力拖动系统的转速以满足生产实际的需要。的转速以满足生产实际的需要。2.3.1调速方法调速方法1.机械调速：指通过改变变速机构传动比以机械调速：指通过改变变速机构传动比以改变转速的方法，特点是：调速时必须停，改变转速的方法，特点是：调速时必须停，多为有级调速，同生活中如变速自行车原理多为有级调速，同生活中如变速自行车原理基本相似。基本相似。调速方法调速方法2. 电气调速：电气调速： 指通过改变电动机有关电气参数指通过改变电动机有关电气参数电动机转速的方法，特点是简化机械传动与变电动机转速的方法，特点是简化机械传动与变速机构，调速时不需停车，在运行中便可以调速机构，

20、调速时不需停车，在运行中便可以调速，可实现无级调速，必要时还可采用各种反速，可实现无级调速，必要时还可采用各种反馈环节提高机械特性硬度，以便提高拖动系统馈环节提高机械特性硬度，以便提高拖动系统静态与动态运行指标，易于实现电气控制自动静态与动态运行指标，易于实现电气控制自动化。化。3.电气电气机械调速：指上述两种方法都采用机械调速：指上述两种方法都采用的混合调速法。（主要介绍电气调速）的混合调速法。（主要介绍电气调速）3.3.2电气调速电气调速1.降压调速：降压调速： 降低电枢外加电压的数值，使理想空载转速降低电枢外加电压的数值，使理想空载转速n0下降，导致转速下降。下降，导致转速下降。2.电枢

21、回路串电阻调速电枢回路串电阻调速 电枢回路串入不同数值的附加电阻，使机械特电枢回路串入不同数值的附加电阻，使机械特性斜率性斜率变大，负载转速降变大，导致转速下降。变大，负载转速降变大，导致转速下降。3. 弱磁调速弱磁调速 减少他励直流电动机的励磁电流减少他励直流电动机的励磁电流If，使每极磁，使每极磁通减少通减少(1 ，显，显然，调速的级数越多，然，调速的级数越多， k 越接近于越接近于1，调速的平滑，调速的平滑性越好。当性越好。当k=1 时，称为无级调速，即在调速范围时，称为无级调速，即在调速范围内，转速可得到任意值。内，转速可得到任意值。1iinnk4.经济性经济性 在考虑技术指标的同时，

22、还应考虑在考虑技术指标的同时，还应考虑设备投资、电能消耗、运行费用等。设备投资、电能消耗、运行费用等。3.3.3调速时允许输出的转矩和功率调速时允许输出的转矩和功率 电动机在额定转速下容许输出的功率主要取电动机在额定转速下容许输出的功率主要取决于电机的发热，而发热又主要取决于电枢电流决于电机的发热，而发热又主要取决于电枢电流在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值定值IN，电机长时间运行，其发热不会超过允许，电机长时间运行，其发热不会超过允许的限度，因此，额定电流是电机长期工作的利用的限度，因此，额定电流是电机长期工作的利用限度。电机在调速过程中

23、，如在不同转速下都能限度。电机在调速过程中，如在不同转速下都能保持电流保持电流Ia=IN，则电机利用充分，运行安全。从，则电机利用充分，运行安全。从合理使用电动机的角度考虑，提出了调速方式与合理使用电动机的角度考虑，提出了调速方式与负载类型相配合的问题。负载类型相配合的问题。1.恒转矩调速恒转矩调速 调速过程中保持调速过程中保持Ia=IN，=N=常数，则常数，则 T=常数，电动机允许输出转矩不变的调速方常数，电动机允许输出转矩不变的调速方法称恒转矩调速。在实际调速时改变电动机法称恒转矩调速。在实际调速时改变电动机供电电压和改变电枢回路串入的电阻均属恒供电电压和改变电枢回路串入的电阻均属恒转矩调

24、速。电动机输出功率转矩调速。电动机输出功率P=T，T=常数常数 P ,即电动机转速越低，输出功率越小即电动机转速越低，输出功率越小,P 。允许输出转矩和功率允许输出转矩和功率nnmaxnminnNTNPNT、P0 他励直流电动机调速 时的允许输出转矩和功率122. 恒功率调速恒功率调速 调速中，保持调速中，保持Ia=IN，若，若n，P =常数。常数。 在保持电枢电流接近或等于额定值在保持电枢电流接近或等于额定值条件下，调速过程中电动机允许输出功条件下，调速过程中电动机允许输出功率不变的调速方法称为恒功率调速。如率不变的调速方法称为恒功率调速。如 改变电动机主磁通改变电动机主磁通 的调速方法就属

25、于的调速方法就属于恒功率调速方法。恒功率调速方法。说明说明 在图中，在图中， T=f（n）和）和 P=f（n） 曲线表示在保曲线表示在保证电动机得到充分利用的条件下证电动机得到充分利用的条件下(即即Ia=IN)，允许输，允许输出的转矩和功率，并不代表电动机实际输出的转矩出的转矩和功率，并不代表电动机实际输出的转矩和功率，电动机实际输出的转矩和功率要由它所拖和功率，电动机实际输出的转矩和功率要由它所拖动的负载转矩和负载功率特性来决定。动的负载转矩和负载功率特性来决定。 实际上，电动机在调速时实际输出的功率和转实际上，电动机在调速时实际输出的功率和转矩是多大，则要看电动机拖动是什么类型的负载。矩是

26、多大，则要看电动机拖动是什么类型的负载。如果配合适当，电机实际输出即为允许输出，电动如果配合适当，电机实际输出即为允许输出，电动机容量能充分利用，否则电机容量造成浪费。机容量能充分利用，否则电机容量造成浪费。3.调速方式与负载类型配合问题调速方式与负载类型配合问题 调速方式与负载类型配合恰当，所选电调速方式与负载类型配合恰当，所选电动机的体积较经济。在不同转速下，可较充动机的体积较经济。在不同转速下，可较充分地利用，不致造成浪费分地利用，不致造成浪费(浪费是指电机的转浪费是指电机的转矩和功率选的过大矩和功率选的过大)，或长时间运行而烧坏。，或长时间运行而烧坏。(指转矩及功率选的较小指转矩及功率

27、选的较小)匹配匹配 最好的配合方式为：恒功率负载，采用最好的配合方式为：恒功率负载，采用恒功率的调速方法。恒功率的调速方法。(弱磁调速弱磁调速)；恒转矩负；恒转矩负载，采用恒转矩的调速方法。载，采用恒转矩的调速方法。(变电压或变串变电压或变串入电阻调速入电阻调速)。 这样匹配，使电机在整个调速范围内容这样匹配，使电机在整个调速范围内容量能充分利用，且量能充分利用，且 Ia=IN 不变，电动机的调速不变，电动机的调速转矩与负载一致时，电机容量能充分利用。转矩与负载一致时，电机容量能充分利用。调速方式与负载类型配合恰当调速方式与负载类型配合恰当nnmaxnNT0电动机调速转矩与负载一致n=f(Ta

28、l)n=f(TL)(1)恒功率负载与恒转矩调速方法配合恒功率负载与恒转矩调速方法配合nnminT0恒功率负载与恒转矩调速配合n=f(TL)n=f(Tal)(2) 恒转矩负载与恒功率调速方法配合恒转矩负载与恒功率调速方法配合nnminT0恒功率调速与恒转矩负载的配合n=f(TL)n=f(Tal)TL3.4他励直流电动机制动他励直流电动机制动电动状态与制动状态电动状态与制动状态1.电动状态电动状态 特点特点：转速：转速n与转矩与转矩T方向相同，方向相同，T为拖动转为拖动转矩，矩，Ia 与与Ea 方向相反，输入电能，输出机械方向相反，输入电能，输出机械能，机械特性在直角坐标的第一、能，机械特性在直角

29、坐标的第一、 三象限。三象限。2.制动状态制动状态特点特点：转速：转速n与转矩与转矩T方向相反，方向相反， Ia 与与Ea 方向方向相同，电机工作在发电状态。相同，电机工作在发电状态。直流电机拖动系统示意图直流电机拖动系统示意图3.4.1制动的概念制动的概念n制动制动： 指通过某种方法产生一个与拖动系统转指通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的阻转矩以阻止系统运动的过程。向相反的阻转矩以阻止系统运动的过程。n制动作用制动作用： 它可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒它可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒速运动，如起重类机械等速下放重物。列车等速运动，如起重类机械等速下放重物。列车等速下坡等。也可

30、以用于使拖动系统减速或停车速下坡等。也可以用于使拖动系统减速或停车.实现制动方法实现制动方法n实现制动方法有实现制动方法有： 机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生阻转矩实现制动的。其特点是损耗大，多用阻转矩实现制动的。其特点是损耗大，多用于停车制动，如起重类机械的抱闸；电气制于停车制动，如起重类机械的抱闸；电气制动，是使电动机变直流发电机将系统的机械动，是使电动机变直流发电机将系统的机械能或位能负载的位能转变为电能，消耗在电能或位能负载的位能转变为电能，消耗在电枢电路的总电阻或回馈电网。枢电路的总电阻或回馈电网。电气制动的分类电气制动的分类电气制动方法分：电气制

31、动方法分： 能耗制动，反接制动，再生制动。能耗制动，反接制动，再生制动。 直流电机正常工作时，出现制动状态情况分析如直流电机正常工作时，出现制动状态情况分析如下：下：(1)要求停车要求停车 切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电源，机械抱闸，帮助停车。源，机械抱闸，帮助停车。(2) 降速过程中：降速过程中： 在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过制在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过制动状态。动状态。制动的分类制动的分类(3) 提升机构下放重物提升机构下放重物 提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态。提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态

32、。(4) 反转反转 电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能反向起动，从上面分析可见，制动不能简单地理才能反向起动，从上面分析可见，制动不能简单地理解为停车，停车只是制动过程中的一种形式而以。解为停车，停车只是制动过程中的一种形式而以。课后复习要点课后复习要点1.调速的性能指标调速的性能指标2.调速方式与负载类型配合问题调速方式与负载类型配合问题3.他励直流电动机制动基本概念他励直流电动机制动基本概念思考题：思考题：P95 3-16、3-17作业作业:P97 3-35本次课程内容和重点本次课程内容和重点内容：内容： 能耗制动、反接制动、回馈制动方

33、法、能耗制动、反接制动、回馈制动方法、特点和应用。特点和应用。重点：重点： 各种制动的特性。各种制动的特性。3.4.2能耗制动能耗制动1.能耗制动实现及机械特性能耗制动实现及机械特性(1)实现方法：实现方法：a.电动状态电动状态 接触器KM1闭合，转矩闭合，转矩T与转速与转速n相同方向，电枢相同方向，电枢电流与反电势方向相反，电流与反电势方向相反，电机运行在电机运行在A点。点。b.能耗制动能耗制动 接触器KM2闭合闭合(电机原电机原运行在运行在A点点)，电枢脱离电源，电枢脱离电源经电阻经电阻R将电枢短接。将电枢短接。UfIfRfM-RKM1KM2UN+-IaIaEaTTn能耗制动原理接线图（2

34、）能耗制动分析）能耗制动分析 U=0, 由于电机惯性，由于电机惯性， n0，Ea0 ，在反电动势在反电动势Ea作用下产生电枢电流作用下产生电枢电流Ia反向，电反向，电动机的转矩也反向。这时动机的转矩也反向。这时IB=-Ea/(R+Ra)。 IB与原来的与原来的IA 方向相反，方向相反，TB反向，与反向，与n相反相反, 转转速下降，当速下降，当n=0 ，停车。，停车。（3）能耗制动特性）能耗制动特性T(I)TB(IB)BAn0TL(IL)C0-TLnRaRa+Rad位能性负载转矩反抗性负载转矩他励直流电动机能耗制动机械特性（4）特性方程及制动电阻）特性方程及制动电阻 特性是一条过原点的直线，在第

35、二象限，特性是一条过原点的直线，在第二象限，特性斜率取决于能耗制动电阻特性斜率取决于能耗制动电阻 Rad。ICRRnTCCRRnUNeadaNTeada , 02或分析分析 Rad越大，特性越斜，越大，特性越斜， Rad越小，特性越越小，特性越平，但平，但Rad不能太小，否则在制动瞬间会产生不能太小，否则在制动瞬间会产生过大的冲击电流，取过大的冲击电流，取IB=(22.5) IN，IB为制动为制动瞬间的电枢电流，设制动瞬间电势为瞬间的电枢电流，设制动瞬间电势为EB ，有：有： 当制动时转速大于或等于当制动时转速大于或等于nN时，认为时，认为EB与与U近似相等。近似相等。aBBadRIER2.能

36、耗制动运行能耗制动运行3.能耗制动特点能耗制动特点(i) 制动时制动时 U=0，n0=0 ，直流电动机脱离电网变成直，直流电动机脱离电网变成直流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的位能转变成电能性负载的位能转变成电能( EaIa)消耗在电枢电路的消耗在电枢电路的总电阻上总电阻上I2(Ra+Rad).(ii) 制动时，制动时， n与与T成正比成正比 ,所以转速所以转速n 下降时，下降时，T也下降，也下降，故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少Rad，以增大制动转矩，以增大制动转矩T ，此即多级能耗

37、制动，此即多级能耗制动(iii) 实现能耗制动的线路简单可靠，当实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0 时时T=0 ,可实可实现准确停车。现准确停车。nTRRnCCICTadaNeNTaNT , 4.应用应用 能耗制动多用于一般生产机械的制能耗制动多用于一般生产机械的制动停车，对于起重机械，能耗制动可使动停车，对于起重机械，能耗制动可使位能性负载的恒低速下放，确保生产安位能性负载的恒低速下放，确保生产安全，对反抗性负载能确保停车全，对反抗性负载能确保停车。5.功率流程图功率流程图3.4.3反接制动反接制动1.电压反接的反接制动电压反接的反接制动(1)方法：方法： 将正在运行的电机电枢串入制动电阻

38、将正在运行的电机电枢串入制动电阻 Rc，且电，且电枢两端电压极性改变。要实现反接制动电路有两枢两端电压极性改变。要实现反接制动电路有两种，一种手动适合小容量电动机，另一种是自动线种，一种手动适合小容量电动机，另一种是自动线路适合大容量的电动机采用。路适合大容量的电动机采用。反接制动实现反接制动实现（2）方程式）方程式方程式为：方程式为：特性特性BC段为电压反接制动机械特性曲线，由于制段为电压反接制动机械特性曲线，由于制动状态到动状态到 n=0 告终，所以只有实线部分为反接制告终，所以只有实线部分为反接制动特性。动特性。TCCRRCUnNTecaeN2(3) 机械特性曲线机械特性曲线 特性特性B

39、C段为电段为电压反接制动机械特压反接制动机械特性曲线，由于制动性曲线，由于制动状态到状态到 n=0 告终，告终，所以只有实线部分所以只有实线部分为反接制动特性。为反接制动特性。E-n0nATTBBAn0TLC0-TLnRa位能性负载转矩反抗性负载转矩电压反接制动机械特性D(4) 制动电阻制动电阻Rc的计算的计算2其中取NNaNNaNaNcIURIURIEUR制动电阻的比较制动电阻的比较 当制动初始转速当制动初始转速nLnN，可用近似公式，可用近似公式计算，即：计算，即： 反接制动电阻比能耗制动电阻几乎大一倍。反接制动电阻比能耗制动电阻几乎大一倍。aNNcaNNcRIURRIUR2，能耗反接2.

40、电动势反接制动电动势反接制动 又称转速反向又称转速反向的反接制动或倒拉的反接制动或倒拉反接制动反接制动(1) 方法方法 电枢回路串入电枢回路串入大电阻大电阻（2）特性）特性 从从C点至点至D点为电动点为电动减速状态，减速状态，从从D点至点至B点点为发电状态为发电状态。nAT-nBA An0TLC C0 0nRa电动势反接制动机械特性B B（3）电阻计算）电阻计算aLaNcRIEUR3.反接制动时的能量关系反接制动时的能量关系( 1 ) 电压反接制动时电压反接制动时 说明从电源吸收电说明从电源吸收电能能 说明电动机说明电动机从负载吸收机械能使电机处于发电状态，将机械能转从负载吸收机械能使电机处于

41、发电状态，将机械能转化为电能。化为电能。 上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电阻上。阻上。00 , 0aaUIIU00 , 00aaaaIEIEn( 2 )电动势反接制动时电动势反接制动时 说明从电源吸收电能说明从电源吸收电能 说明从负载吸收机械能说明从负载吸收机械能上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，其能上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，其能量关系同电压及制动时一样量关系同电压及制动时一样。00 , 0000 , 0aaaaaaIEIEnUIIU反接制动功率流程图反接制动功率流程图|P2|p0|Pem|=|T|=|EaIa|Ia(Ra

42、+Rad)2反接制动过程中的功率流程图4.两种反接制动的异同点两种反接制动的异同点共同点共同点：能量关系相同。：能量关系相同。不同点不同点：电压反接制动特性位于第二象限，：电压反接制动特性位于第二象限，制动转矩大，制动效果好，转速反向反接制制动转矩大，制动效果好，转速反向反接制动特性位于第四象限，机械能来自负载的位动特性位于第四象限，机械能来自负载的位能，不能用于停车。能，不能用于停车。5.应用应用应用应用： 转速反向的反接制动，可应用于位能负载，一转速反向的反接制动，可应用于位能负载，一般可在般可在nn0 则则 EaU ，Ia与与Ea同方向，同方向，T 与与 n 方向相反，电机工作在发电状态

43、，回馈能方向相反，电机工作在发电状态，回馈能量给电源，经济。量给电源，经济。2.变电压过程中的回馈制动变电压过程中的回馈制动nn0A0TLTn01UNU1他励直流他励直流电动电动机降机降压过压过程程 中的回中的回馈馈制制动动机械特性机械特性说明说明 在回馈过程中，电动机向电源回送电能在回馈过程中，电动机向电源回送电能为了节省能量，在电动机具有可调电源拖动为了节省能量，在电动机具有可调电源拖动反抗性负载时，使整个停车过程都处于回馈反抗性负载时，使整个停车过程都处于回馈制动状态，直到转速等于零。这个制动停车制动状态，直到转速等于零。这个制动停车过程都处于回馈制动状态。直到转速等于零过程都处于回馈制

44、动状态。直到转速等于零这个制动停车方法最节省能量，制动时间也这个制动停车方法最节省能量，制动时间也短，过原点的最后一级特性，是电枢回路电短，过原点的最后一级特性，是电枢回路电阻阻Ra的能耗制动状态。的能耗制动状态。3.位能负载下放重物时回馈制动位能负载下放重物时回馈制动nn0AB0TBCTLT-n0位能性负载时电机回馈制动机械特性DEF4.回馈制动时的功率流程图回馈制动时的功率流程图5.应用应用 回馈制动多用于电力机车高速下坡或起回馈制动多用于电力机车高速下坡或起重类机械高速下放重物的场合。在调速的过重类机械高速下放重物的场合。在调速的过程中也会出现回馈制动。程中也会出现回馈制动。注意注意：回

45、馈制动只有在：回馈制动只有在|n|n0| 时才会出现，时才会出现，故不能用于停车制动中。故不能用于停车制动中。课后复习要点课后复习要点各种制动的实现方法、特性、方程等。各种制动的实现方法、特性、方程等。本次课程内容及重点本次课程内容及重点n内容：内容：n四象限运行分析四象限运行分析n电力拖动系统过渡过程电力拖动系统过渡过程n重点：重点：n过渡过程过渡过程3.4.5他励直流电动机的四个象限上他励直流电动机的四个象限上的运行的运行n电动状态：特性在第一，三象限，其中第电动状态：特性在第一，三象限，其中第一象限是正向电动状态，第三象限是反向一象限是正向电动状态，第三象限是反向电动状态。电动状态。n制

46、动状态：特性在第二，四象限，其中第制动状态：特性在第二，四象限，其中第二象限是正向能耗，正向回馈制动，电压二象限是正向能耗，正向回馈制动，电压反接制动。第四象限是反向能耗，反向回反接制动。第四象限是反向能耗，反向回馈制动，转速反向反接制动，处在反向电馈制动，转速反向反接制动，处在反向电动状态时进行电压反接的电压反接制动。动状态时进行电压反接的电压反接制动。四象限运行分析四象限运行分析3.5电力拖动系统过渡过程电力拖动系统过渡过程3.5.1过渡过程的概述过渡过程的概述1.稳态稳态(静态静态)：指电动机转矩指电动机转矩T和负载转矩和负载转矩TL相等。系统静止不动或以恒速运动的状态。相等。系统静止不

47、动或以恒速运动的状态。2.动态动态：指：指 T与与TL不相等，加速或减速状态。不相等，加速或减速状态。即非平衡状态即非平衡状态dn/dt0，动态也称过渡过程。，动态也称过渡过程。 转速由转速由n=0升至某一转速或从某一转速升至另升至某一转速或从某一转速升至另一转速的变化过程均称为一转速的变化过程均称为过渡过程过渡过程。3.产生过渡过程的原因产生过渡过程的原因外因外因： 例：例： TL变化，或电机参数变化，引起变化，或电机参数变化，引起T变化。变化。内因内因：系统存在：系统存在GD2，即机械惯性以及电磁惯性，即机械惯性以及电磁惯性，即存在即存在L(电感电感)。 GD2 的存在，使的存在，使n不能

48、突变。不能突变。L的存在，使电流的存在，使电流不能突变。若只考虑不能突变。若只考虑GD2影响，称机械过渡过程；影响，称机械过渡过程；只考虑只考虑L的影响，称电磁过渡过程；两者都考虑称的影响，称电磁过渡过程；两者都考虑称机电过滤过程。机电过滤过程。4.过渡过程过渡过程重点重点：机械过渡过程，因为较多的情况下，：机械过渡过程，因为较多的情况下，机械惯量的影响远大于电磁惯量影响，为简机械惯量的影响远大于电磁惯量影响，为简化分析，略去电磁惯量影响。化分析，略去电磁惯量影响。 研究过渡过程的实际意义在于：找出减研究过渡过程的实际意义在于：找出减小过渡过程持续时间，提高生产率；探讨减小过渡过程持续时间，提

49、高生产率；探讨减少过渡过程损耗功率的途径，提高电机利用少过渡过程损耗功率的途径，提高电机利用率和力能指标；改善系统动态或稳定运行品率和力能指标；改善系统动态或稳定运行品质，使设备能安全可靠运行。质，使设备能安全可靠运行。3.5.2过渡过程数学分析过渡过程数学分析系统的动态特性可用下列微分方程组描述：aNTNeaLaaaaaICTnCEdtdnGDTTRIEdtdiLU37521.过渡过程中转速变化规律 设电动机原稳设电动机原稳定工作在图定工作在图2-27(a)所示的所示的A点上，现负点上，现负载突然由载突然由TLA减小到减小到TLB，电动机工作点，电动机工作点从从A点过渡到点过渡到B点，点，下

50、面讨论过渡过程下面讨论过渡过程中转速的变化规中转速的变化规律。律。数学分析数学分析n将机械特性方程和电力拖动系统运动方程将机械特性方程和电力拖动系统运动方程联立，消除中间变量电磁转矩联立，消除中间变量电磁转矩T，可得微分，可得微分方程如下：方程如下：TCCRCUnTee2dtdnGDTTLB3752dtdnTndtdnTnnICRdtdnGDCCRnnmBmBLBeTe0220375数学分析数学分析整理后得：上式中为 机电时间常数将式两边积分，代入初始条件，整理得： mBTdtnndn37522GDCCRTTemmmmTtATtBTtBABenenennnn)1 ()(分析分析 它有两部分组成：一部分是稳态分量，它有两部分组成：一部分是稳态分量，另一部分是暂态分量，另一部分是暂态分量，转速转速n的过渡过程是一的过渡过程是一条按指数规律变化的曲线，起始值为条按指数规律变化的曲线，起始值为nA，稳，稳态值是态值是nB，n=(t)曲线如图曲线如图2-27(b)所示。所示。2.过渡过程中电磁转矩或电枢电流过渡过程中电磁转矩或电枢电流变化规律变化规律 同理可推得过渡过程中电磁转矩或电枢同理可推得过渡过程中电磁转矩或电枢电流变化规律：电流变化规律： mmmT